【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24AE0021

利用課題名 / Title

アクチナイド耐腐食用グラフェン保護膜に向けた要素技術開発: 保護膜無しの基礎データ蓄積

利用した実施機関 / Support Institute

日本原子力研究開発機構 / JAEA

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

アクチノイド,放射光,X線光電子分光法,グラフェン,耐腐食材料,保護膜

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

山口 尚登

所属名 / Affiliation

米国ロスアラモス国立研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ノーラン　レギス

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

藤森 伸一,川崎 郁斗

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

AE-007：軟X線光電子分光装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

ウランやプルトニウムといったアクチナイドは原子力発電で燃料として利用されているが、化学反応性が高く、腐食が激しい。そのため、製造後、長期間の保管や輸送過程で腐食を最小限にとどめることが発電の安全性/コスト面で課題となっている。解決の一案として保護膜でのコーティングが考えられるが、従来の保護膜だと厚過ぎてアクチナイド本来の機能に影響が出てしまうという懸念があった。本研究では、1原子層にも関わらず高いガスバリア性を有し、金属表面等の耐腐食材料として期待されているグラフェンを、アクチナイド用の保護膜として使用するための要素技術を開発することを目的として、実験を開始した。結果、グラフェン保護膜無しの基礎データ蓄積を開始できた。

実験 / Experimental

本実験の目的は、上記した最終目的を達成する準備段階として、グラフェン保護膜無しの基礎データを蓄積することであった。前ビームタイムまでに行った標準基板の選定から、ウラン化合物UPt₃が適していることが分かった。一般に反応速度が速過ぎると、酸化過程のデータを詳細に収集することができない。反対に、反応速度が遅いと数日間のビームタイム中に十分な腐食が起こらない。UPt₃の場合、室温だと酸化反応速度が速すぎたが、150-200Kの間に冷却することで適切な速度で腐食が起こることが前ビームタイムまでに分かった。また、真空内で劈開できるため、洗浄表面を比較的容易に準備することが可能である。試料は、JAEA先端基礎研究センターの芳賀芳範氏が作製した。
 実験は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構が所有するBL23SU　軟X線光電子分光装置で行った。  実験手順としては、まずビームの調整を行った後、実際の試料の測定を開始した。具体的には、試料を170Kに冷却し、準備室で機械的に劈開して洗浄表面を出した後、試料を真空槽に導入した。次に放射光のエネルギーを800 eVにセットし、放射光を試料に照射しながらU 4fの測定を繰り返し行った。U 4f光電子スペクトルの時間発展から、ウラン化合物の酸化過程を観察した。

結果と考察 / Results and Discussion

ウランの白金化合物UPt₃を170Kに冷却して保持したところ、酸化速度を抑えることにより、目論見通り酸化の初期過程データを蓄積することができた。今後、試料温度を5K間隔で変えて測定し、酸化の活性化エネルギー特定を目指す予定である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

なし。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件